CN113816750A - 修复燃气涡轮发动机部件的热障涂层的方法和材料 - Google Patents

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Abstract

用于燃气涡轮发动机的可喷涂热障涂层粉末混合物，其包含：干组合物，所述干组合物包含中值粒径分布大于5微米且小于50微米的低表面积陶瓷粉末和中值粒径分布小于5微米的高表面积陶瓷粉末，所述低表面积陶瓷粉末占可喷涂热障涂层粉末混合物的干组合物的至少50wt％。

Description

修复燃气涡轮发动机部件的热障涂层的方法和材料
优先权信息
本申请要求于2020年6月19日提交的印度申请号202011025995的优先权。
技术领域
本发明总体上涉及用于修复发动机部件的热障涂层的方法和材料，特别是粉末混合物和原位施加这种粉末混合物的方法。
背景技术
在诸如燃烧器、高压轮机(HPT)叶片、轮叶和护罩等部件上使用热障涂层(TBC)有助于使这些部件承受住更高的运行温度，增加部件的耐用性，并改善发动机的可靠性。TBC通常由陶瓷材料形成并沉积在环保粘合涂层上以形成所谓的TBC系统。
在运行条件下，受TBC系统保护的热段发动机部件可能容易受到各种损坏形式的影响，包括腐蚀、氧化和暴露于燃烧气体产物的腐蚀、异物损坏(FOD)和来自环境污染物的攻击。环境污染物的来源是环境空气，它被发动机吸入以进行冷却和燃烧。环境空气中的环境污染物的类型因地点而异，但可能是飞机所关心的问题，因为飞机的用途是从一个地点移动到另一个地点。这些环境污染物是除了燃料燃烧产生的腐蚀性和氧化性污染物之外的补充。然而，所有这些污染物都可以附着在热段部件的表面上，包括那些受TBC系统保护的组件。
这些污染物中的一些可能导致TBC在部件的寿命期间损失，留下一部分薄的TBC，或者完全去除TBC的一部分，使下面的部件暴露于运行条件并且可能损坏该部件。如果发生此类损坏，通常需要对其进行修复。用于修复这种TBC的系统和/或方法将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践获知。
本公开的一个方面涉及用于燃气涡轮发动机的可喷涂热障涂层粉末混合物。该可喷涂热障涂层粉末混合物包括：干组合物，其具有中值粒径分布大于5微米且小于50微米的低表面积陶瓷粉末和中值粒径分布小于5微米的高表面积陶瓷粉末，其中低表面积陶瓷粉末占可喷涂热障涂层粉末混合物的干组合物的至少50wt％。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点。包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图说明了本发明的实施方案，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本发明各种实施方式的示例性燃气涡轮发动机的示意性剖视图；
图2是根据本公开示例性实施方式的TBC损坏的燃烧器组件的透视截面图；
图3是根据本公开示例性实施方式的用于原位修复部件的热障涂层的一部分的系统的示意图；
图4是可用于根据本公开示例性实施方式的图3的示例性系统的可喷涂热障涂层粉末混合物的近景示意图；
图5示出了施加到下层部件表面的已修复涂层的近景剖视图；
图6示出了图5的已修复涂层的一部分的近景视图；
图7是根据本公开示例性方面的用于原位修复燃气涡轮发动机部件的热障涂层的方法的流程图。
在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本发明的相同或类似的特征或要素。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施方式，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母名称来指代图中的特征。附图和描述中相似或相似的标号已用于指代本发明的相似或相似部分。
词语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优于其他实施方式。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以将一个组件与另一组件区分开，并且不旨在表示各个组件的位置或重要性。
术语“前”和“后”是指燃气涡轮发动机或载具内的相对位置，并且是指燃气涡轮发动机或载具的正常运行姿态。例如，对于燃气涡轮发动机，前是指靠近发动机进口的位置，而后是指靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体从该处流动的方向，“下游”是指流体流向的方向。
除非另有说明，术语“耦合”、“固定”、“连接”等是指直接耦合、固定或连接，以及通过一个或多个中间部件或特征间接耦合、固定或连接。
除非上下文另有明确指定，单数形式的各个术语也包括复数。
本文在整个说明书和权利要求书中使用的近似描述适用于修饰任何定量描述，该定量描述允许不导致与其相关的基本功能改变的变化。因此，由一个或多个术语例如“约”、“大约”和“基本上”修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似描述可以对应于用于测量该值的仪器的精度，或者用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似描述可能是指在10％的范围内。
在此以及整个说明书和权利要求中，范围的限定被组合和互换，除非上下文另有说明，否则这样的范围被认为包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以彼此独立地组合。
如将理解的，热障涂层(“TBC”)可能在其整个寿命期间因例如污染物而损坏或劣化，留下TBC的薄部分，或完全去除TBC的一部分而使下面的部件暴露在运行条件下并可能损坏此类部件。为了修复TBC的这些区域，通常需要将发动机“离机(off wing)”(即从飞机上卸下发动机)、卸下部件(或将发动机拆卸到部件被暴露的程度)、清洁要修复的区域、打上TBC补丁、固化TBC补丁、然后重新组装和重新安装发动机。这是一个相当耗时且昂贵的过程。
因此，应当理解，如果系统和方法可用于修复TBC而不需要使发动机离机并至少部分地拆卸，这将是合乎需要的。在本公开的一个方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机的可喷涂热障涂层粉末混合物，其可以原位施加，而不需要在发动机外部单独固化部件和新施加的热障涂层粉末混合物。在某些方面，可喷涂热障涂层粉末混合物可包括：干组合物，其具有中值粒径分布大于5微米且小于50微米的低表面积陶瓷粉末和中值粒径分布小于5微米的高表面积陶瓷粉末，其中低表面积陶瓷粉末占可喷涂热障涂层粉末混合物的干组合物重量的至少50％。
例如，在某些示例性方面，这种配置可以允许混合物的活化温度限定为约300℃到大约1200℃的范围，使得热障涂层混合物可以通过运行燃气涡轮发动机而固化。这可以允许更快和更便宜的修复过程，因为热障涂层粉末混合物可在无需使发动机离机的情况下被施加和固化。
现在参考附图，图1是根据本公开示例性实施方式的燃气涡轮发动机的示意性剖视图。更具体地，对于图1的实施方式，燃气涡轮发动机是高旁路涡轮风扇喷气发动机10，本文称为“涡轮风扇发动机10”。如图1所示，涡轮风扇发动机10限定轴向方向A(平行于提供作为参考的纵向中心线12并延伸)和径向方向R。通常，涡轮风扇10包括风扇部14和布置在风扇部14下游的核心涡轮发动机16。
示出的示例性核心涡轮发动机16大体包括限定环形入口20的基本管状外壳18。外壳18以串联流动关系包住压缩机部、燃烧部26、涡轮部和喷射排气喷嘴部32，该压缩机部包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24，该涡轮部包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30。高压(HP)轴或卷轴34将HP涡轮28驱动地连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或卷轴36将LP涡轮30驱动地连接到LP压缩机22。
对于示出的实施方式，风扇部14包括可变桨距风扇38，其具有以间隔开的方式连接到盘42的多个风扇叶片40。如图所示，风扇叶片40大体沿径向R从盘42向外延伸。由于风扇叶片40可操作地连接到合适的致动构件44，每个风扇叶片40可围绕俯仰轴P相对于盘42旋转，致动构件44被配置为统一改变所有风扇叶片40的桨距。风扇叶片40、盘42和致动构件44通过LP轴36一起围绕纵向轴线12旋转，穿过可选的动力齿轮箱46。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于逐步降低LP轴36的旋转速度，使风扇转速更有效率。
仍然参考图1的示例性实施方式。在图1中，盘42被可旋转的前机舱48覆盖，前机舱48的空气动力学轮廓可促进气流通过多个风扇叶片40。此外，示例性的风扇部14包括环形风扇罩或外机舱50，其周向围绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应当理解，外机舱50可以被配置为通过多个周向间隔开的出口导向叶片52相对于核心涡轮发动机16支撑。此外，外机舱50的下游部54在核心涡轮发动机16的外部上方延伸，从而在它们之间限定旁通气流通道56。
在涡轮风扇发动机10的运行期间，一定量的空气58通过外机舱50和/或风扇部14的关联进口60进入涡轮风扇10。当一定量的空气58穿过风扇叶片40时，由箭头62指示的空气58的第一部分被引导或导向至旁通气流通道56，并且如箭头64所指示的空气58的第二部分被引导或导向至LP压缩机22。第一部分空气62和第二部分空气64之间的比值通常称为旁通比。当第二部分空气64被引导通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧部26时，第二部分空气64的压力随之增加，在燃烧部26中第二部分空气64与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被引导通过HP涡轮机28，在HP涡轮机28中，通过顺序分段的连接至外壳18的HP涡轮机定子轮叶68和连接至HP轴或卷轴34的HP涡轮转子桨叶70，提取来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分，从而导致HP轴或卷轴34旋转，从而支持HP压缩机24的运行。然后燃烧气体66被引导通过LP涡轮机30，在LP涡轮机30中，通过顺序分段的LP涡轮定子轮叶72和LP涡轮转子桨叶74，从燃烧气体66中提取第二部分热能和动能，LP涡轮定子轮叶72与外壳18连接，LP涡轮转子桨叶74与LP轴或卷轴36连接，从而导致LP轴或卷轴36旋转，从而支持LP压缩机22的运行和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被引导通过核心涡轮发动机16的射流排气喷嘴部32以提供推进推力。同时，在第一部分空气62从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气部76排出之前，在第一部分空气62被引导通过旁通气流通道56时，第一部分空气62的压力显著增加，也提供推进推力。HP涡轮机28、LP涡轮机30和射流排气喷嘴部32至少部分地限定了用于引导燃烧气体66通过核心涡轮发动机16的热气路径78。
现在参考图2，提供了图1的示例性涡轮风扇发动机10的燃烧部26的近景剖视图。更具体地，根据本公开的示例性实施方式，图2提供了燃烧器组件100的透视截面图，该燃烧器组件可位于图1的示例性涡轮风扇发动机10的燃烧部26中。
如图所示，燃烧器组件100通常包括在后端104和前端106之间大致沿轴向A延伸的内衬102，以及也在后端110和前端112之间大致沿轴向A延伸的外衬108。内衬102和外衬108一同至少部分地在它们之间限定燃烧室114。内衬102和外衬108各自连接到环形穹顶。更具体地，燃烧器组件100包括连接到内衬102的前端106的内环形穹顶116和连接到外衬108的前端112的外环形穹顶118。虽然显示内环形穹顶116和外环形穹顶118各自包括封闭表面，该封闭表面限定狭槽122用于接收内衬102和外衬108相应的前端106、112，任何合适的连接方案可用于将衬连接到相应的穹顶。此外，虽然示例性燃烧器组件100显示为包括内环形穹顶和外环形穹顶，但应当理解，在其他实施方式中，该穹顶可以形成为单个穹顶构造或任何其他合适的多穹顶构造(例如，3个穹顶等)。
燃烧器组件100还包括在外穹顶118内沿圆周方向间隔开的多个燃料空气混合器124。更具体地，多个燃料空气混合器124沿径向R设置在外穹顶118和内穹顶116之间。来自涡轮风扇发动机10的压缩机部的压缩空气流入或流过燃料空气混合器124，在燃料空气混合器124中，压缩空气与燃料混合并被点燃以在燃烧室114内产生燃烧气体66。内穹顶116和外穹顶118被配置为辅助从压缩机部提供这种压缩空气流进入或通过燃料空气混合器126。例如，外穹顶118包括在前端128处的外罩126，内穹顶116类似地包括在前端132处的内罩130。外罩126和内罩130可以辅助引导来自压缩机部的压缩空气流26进入或通过一个以上的燃料空气混合器。
此外，内穹顶116和外穹顶118均包括配置为辅助将燃烧器组件100安装在涡轮风扇发动机10内的连接部分。例如，外穹顶118包括配置为安装到外燃烧器壳体(未示出)的连接延伸部134，内穹顶116包含类似的连接延伸部138，其配置为连接到涡轮风扇发动机10内部的环形支撑构件(未示出)。在某些示例性实施方式中，内穹顶116可以一体地形成为单个环形部件，并且类似地，外穹顶118也可以一体地形成为单个环形部件。然而，应当理解，在其他示例性实施方式中，内穹顶116和/或外穹顶118可以替代地由以任何合适方式接合的一个以上的部件形成。例如，参考外穹顶118，在某些示例性实施方式中，外罩126可以与外穹顶118分开形成并且使用例如焊接工艺连接到外穹顶118的前端128。类似地，连接延伸部134也可以与外穹顶118分开形成并且使用例如焊接工艺连接到外穹顶118的前端128。此外或可替代地，内穹顶116也可具有类似的配置。
仍然参考图2，示例性的燃烧器组件100还包括围绕每个燃料空气混合器124定位、周向布置的多个隔热罩142。对于所描绘的实施方式，隔热罩142连接到外穹顶118和内穹顶116并在它们之间延伸。隔热罩142配置为保护涡轮风扇发动机10的某些部件免受燃烧室114的相对极端温度的影响。
应当理解，在燃气涡轮发动机的运行期间，隔热罩142的内衬102和外衬104都暴露于相对高温的相对恶劣的条件。因此，至少在这些部件中的一个以上的暴露表面上存在热障涂层146。
特别是对于图2的实施方式，隔热罩142包括用于保护隔热罩142底层结构的热障涂层146。热障涂层146可以是陶瓷涂层或任何其他合适的涂层。
在一个或多个实施方式中，热障涂层146通常可以包括陶瓷热障材料。例如，合适的陶瓷热障涂层材料可以包括各种类型的氧化物，例如铝氧化物(“氧化铝”)、铪氧化物(“氧化铪”)或锆氧化物(“氧化锆”)，特别是稳定的氧化铪或稳定的氧化锆，以及包括其中之一或两者的混合物。稳定的氧化锆的实例包括但不限于：氧化钇稳定的氧化锆、氧化铈稳定的氧化锆、氧化钙稳定的氧化锆、氧化钪稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化铟稳定的氧化锆、氧化镱稳定的氧化锆、氧化镧稳定的氧化锆、氧化钆稳定的氧化锆，以及这种稳定的氧化锆的混合物。类似的稳定的氧化铪组合物是本领域已知的并且适用于本文所述的实施方式。
在某些实施方式中，热障涂层146可以包括氧化钇稳定的氧化锆。合适的氧化钇稳定的氧化锆可包括约1wt％至约20wt％的氧化钇(基于氧化钇和氧化锆的组合重量)，并且更通常包括约3wt％至约10wt％的氧化钇。氧化钇稳定的氧化锆热障涂层的示例包括约7％的氧化钇和约93％的氧化锆。这些类型的氧化锆还可包括一种以上的第二金属(例如镧系元素、锕系元素等)氧化物，例如氧化镝、氧化铒、氧化铕、氧化钆、氧化钕、氧化镨、氧化铀和氧化铪，以进一步减少热障涂层材料的热导率。在一个以上的实施方式中，热障涂层材料还可包括附加的金属氧化物，例如氧化钛和/或氧化铝。例如，热障涂层146可由8YSZ构成，但也可使用更高的氧化钇浓度。
合适的陶瓷热障涂层材料还可以包括通式A2B2O7的烧绿石，其中A是具有3+或2+价态的金属(例如，钆、铝、铈、镧或钇)，B是化合价为4+或5+的金属(例如铪、钛、铈或锆)，其中A价和B价之和为7。这种类型的代表性材料包括锆酸钆、钛酸镧、锆酸镧、锆酸钇、铪酸镧、铪酸铈和铈酸镧。
热障涂层146的厚度可取决于它沉积的基底或部件。在一些实施方式中，涂层146的厚度在约25微米(μm)至约2000μm的范围内。在一些实施方式中，涂层146的厚度在约25μm至约1500μm的范围内。在一些实施方式中，厚度在约25μm至约1000μm的范围内。
此外，还可以理解，通过燃气涡轮发动机10的运行，热障涂层146的一个以上的部分可能比热障涂层146的其他部分更快地磨损或劣化。例如，如图2示意性所示的，热障涂层146包括相邻燃料空气混合器124之间的磨损部分148。
现在参考图3，示意性地示出了用于修复热障涂层146的磨损部分148的系统200。所示的示例性系统200大体包括喷嘴202、混合物管线204和加压气体管线206。混合物管线204可以向喷嘴202提供可喷涂热障涂层粉末混合物208，并且加压气体管线206可以提供加压气体(例如加压空气流)。喷嘴202可以将可喷涂热障涂层粉末混合物208的流与加压气体的流混合，以雾化可喷涂热障涂层粉末混合物208的流并将这种热障涂层粉末混合物208施加到热障涂层146的磨损部分148。
对于所示的实施方式，可喷涂热障涂层粉末混合物208被配置为直接施加到热障涂层146的磨损部分148、下层部件的暴露部分或两者。更具体地，对于所示的实施方式，可喷涂热障涂层粉末混合物208被配置为直接施加到热障涂层146的磨损部分148、下层部件的暴露部分或两者而无需任何介入清洁步骤。以此方式，可喷涂热障涂层粉末混合物208可用于形成补丁150，以覆盖或填充热障涂层146的磨损部分148。
因此，应当理解，该过程可能需要对燃气涡轮发动机部件进行最小程度的拆卸，以便进行涂层修复过程，并且可以将涂层施加到表面而不需要任何“修复站内(in-shop)”类型维修通常所需的特殊的脱脂、清洁或氧化物移除。此外，从以下描述可以理解，涂层化学和喷涂工艺可以设计成用氧化表面恢复涂层。这可以消除对“修复站内”类型修复应用可能进行的任何种类的快速粘合涂层工艺的需要。
此外，对于所示环境，热障涂层粉末混合物208和用于施加其的系统200被配置为形成涂层，该涂层的厚度210大于2密耳(即千分之一英寸)，例如如大于4密耳，如大于6密耳，如大于10密耳，如大于15密耳，如高达约45密耳，如高达约35密耳，如高达约25密耳。以此方式，热障涂层粉末混合物208可形成热障涂层146的修复部分。如本文所用，参考热障涂层146的修复部分，厚度210是指修复部分的最大厚度，或者更确切地说是补丁150的最大厚度。
现在参照图4，提供了可喷涂热障涂层粉末混合物208的近景视图，其可用于以上参照图3描述的示例性系统200。然而，应当理解，在其他实施方式中，可喷涂热障涂层粉末混合物208可以替代地与其他能够将粉末混合物208原位喷涂到燃气涡轮发动机(例如涡轮风扇发动机10)的部件上(或任何其他合适的燃气涡轮发动机上)的任何其他合适的系统200一起使用。例如，虽然以上参照图3所述的示例性系统200被示为将可喷涂热障涂层粉末混合物208施加到燃气涡轮发动机10的燃烧部26内的隔热罩142的热障涂层146上，在其他示例性实施方式中，图4中示出并在以下描述的可喷涂热障涂层粉末混合物208可被施加到或以其他方式用于修复一个以上的燃烧室衬里、一个以上的涡轮转子桨叶、一个以上的涡轮定子轮叶等上的热障涂层146。此外，在其他示例性实施方式中，用于施加这种可喷涂热障涂层粉末混合物208的系统200可以包括任何其他合适的技术，以将可喷涂热障涂层粉末混合物208提供给热障涂层146的磨损部分148。
如图4所示，可喷涂热障涂层粉末混合物208通常包含干组合物，该干组合物具有低表面积陶瓷粉末214和高表面积陶瓷粉末216。如本文所用，术语低表面积陶瓷粉末214是指表面积为10平方米/克以下的陶瓷粉末，例如表面积为8平方米/克以下，例如表面积为5平方米/克以下。此外，如本文所用，术语高表面积陶瓷粉末216是指表面积大于10平方米/克的陶瓷粉末，例如表面积为15平方米/克以上，并且表面积高达400平方米/克，例如表面积高达4000平方米/克。
还应理解，如本文所用，术语“陶瓷粉末”是指包含一种或多种耐高温氧化物的粉末，例如一种或多种氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化镁、氧化硅、氧化钇及其组合.
在某些示例性实施方式中，低表面积陶瓷粉末214和高表面积陶瓷粉末216可以由具有基本上相同化学性质的材料形成，所述化学性质具有所施加的热障涂层146的化学性质。例如，当与图3的示例性系统200一起使用时，所使用的可喷涂热障涂层粉末混合物208的低表面积陶瓷粉末214和高表面积陶瓷粉末216可与正在修复中的热障涂层146具有基本相同的化学性质。例如，粉末214、216和热障涂层216可各自包括至少50wt％的共同材料或组分。
然而，或者，在其他实施方式中，低表面积陶瓷粉末214、高表面积陶瓷粉末216或两者可具有不同的合适的化学性质。
在某些示例性实施方式中，低表面积陶瓷粉末214可具有大于5微米且小于50微米的中值粒径分布，高表面积陶瓷粉末216可具有小于5微米的中值粒径分布。例如，低表面积陶瓷粉末214可具有大于8微米且小于40微米的中值粒径分布，而高表面积陶瓷粉末216可具有小于4微米的中值粒度分布，例如小于3微米，例如至少0.1微米。
应当理解，高表面积陶瓷粉末216可作为粘合剂以将粉末混合物208保持在一起。此外，低表面积陶瓷粉末214可作为填料。当需要施加较厚的热障涂层146时，通常可以使用更多的低表面积陶瓷粉末214，相反，当需要施加较薄的热障涂层146时，通常可以使用更少的低表面积陶瓷粉末214。
如将进一步理解的，在某些示例性方面，可喷涂热障涂层粉末混合物208可被配置为喷涂到待原位修复的热障涂层146和/或部件的部分上，并通过暴露于燃气涡轮发动机10内的运行温度而固化。以这种方式，发动机10可不需要“离机”并至少部分拆卸以允许将被修复的部件放入单独的机器中以固化施加在其上的热障涂层补丁150。为了促进这种配置，可喷涂热障涂层粉末混合物208可以包括一个以上的部分，其用作粘合剂在相对较宽的温度范围(在本文中称为可喷涂热障涂层粉末混合物208的“活化温度范围”，将在以下详述)内将粉末混合物208保持在一起。
例如，在某些示例性实施方式中，可喷涂热障涂层粉末混合物208还可以包括至少一种粘合剂添加剂218(在图4中示意性地描绘为三角形，仅用于与高表面积陶瓷粉末216和低表面积陶瓷粉末214区分开)。至少一种粘合剂添加剂218可以是有机粘合剂添加剂。例如，有机粘合剂添加剂可以是以下一种或多种：成膜聚合物粘合剂，例如聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、丙烯酸酯、丙烯酰胺和共聚物。
可用作可喷涂热障涂层粉末混合物208的粘合剂的有机粘合剂添加剂可以在低于500℃的温度下添加，例如在100℃和500℃之间。
在进一步的示例性实施方式中，至少一种粘合剂添加剂218还可以是或替代地是无机粘合剂添加剂。例如，无机粘合剂添加剂可以是一种或多种高表面积(>10m2/g)的耐高温氧化物，例如氧化铝、氧化锆、氧化铪、氧化硅和氧化钇中的一种或多种。
可用作可喷涂热障涂层粉末混合物208的粘合剂的无机粘合剂添加剂可以在高于500℃的温度下添加，例如在500℃和1000℃之间，例如高达1200℃，例如高达1500℃。
以这种方式，应当理解，可喷涂热障涂料粉末混合物208，例如由低表面积陶瓷粉末214、高表面积陶瓷粉末214和粘合剂添加剂218(如果添加的话)组成的可喷涂热障涂料粉末混合物208的干组合物，可一同限定至少300℃至1000℃，例如300℃至1200℃，例如300℃到1500℃的活化温度。
以这种方式，应当理解，如本文所用，用于可喷涂热障涂层粉末混合物208的特定组分的术语“活化温度”可以指：在该温度下，该特定组分的至少一部分可用作可喷涂热障涂层粉末混合物208的其他组分的粘合剂，和/或用作粘合至可喷涂热障涂层粉末混合物208施加的基底上的粘合剂。具体地，术语活化温度是指部件进入烧结的第一阶段开始时的温度。在此温度(活化温度)下，材料间扩散会导致颗粒(例如陶瓷颗粒)间“烧结颈形成”或化学粘附。在至少某些示例性实施方式中，由于所用无机粘合剂的高表面积性质，化学粘附发生时的温度显著低于当发动机处于起飞速度/功率水平时的温度。
因此，应当理解，如本文所用，术语“活化温度范围”是指可喷涂热障涂层粉末混合物208的至少一种组分的至少一部分用作可喷涂热障涂层粉末混合物208的粘合剂的温度范围。
此外，应当理解，可喷涂热障涂层粉末混合物208的固化温度限定在可喷涂热障涂层粉末混合物208的活化温度范围内或与其重叠。例如，可喷涂热障涂层粉末混合物208的高表面积陶瓷粉末216限定的固化温度至少部分大于1000℃且小于可喷涂热障涂层粉末混合物208的活化温度范围的上限，例如小于1500℃.
应当理解，如本文所用，术语“固化温度”是指这样的温度：在高于该温度时，可喷涂热障涂料粉末混合物208开始经历如下过程：可喷涂热障涂料粉末混合物208开始材料扩散和/或化学扩散。
以这种方式，可喷涂热障涂层粉末混合物208可以在相对低的温度下，例如在0℃和50℃之间的温度下施加到需要修复的发动机的部件的热障涂层146的一部分上。通过发动机10启动时发动机10的温度，可喷涂热障涂层粉末混合物208可以一起保持在热障涂层146的磨损部分148上的位置。此外，可喷涂热障涂层粉末混合物208可以一起保持在热障涂层146的磨损部分148上的位置，直到发动机10的运行温度足以将可喷涂热障涂层粉末混合物208固化在热障涂层146的磨损部分148的位置上，作为热障涂层146的永久补丁150。以这种方式，可喷涂热障涂层粉末混合物208可以是发动机可固化的。
仍参考图4的可喷涂热障涂层粉末混合物208，应理解，粘合剂添加剂218可以不构成可喷涂热障涂层粉末混合物208的干组合物的大部分(“干组合物”是指可喷涂热障涂层粉末208的所有固相的部分)。例如，在示出的示例性实施方式中，低表面积陶瓷粉末214和高表面积陶瓷粉末216总计占可喷涂热障涂层粉末混合物208的干组合物的至少80wt％。然而，值得注意的是，在其他实施方式中，低表面积陶瓷粉末214和高表面积陶瓷粉末216可以总计占可喷涂热障涂层粉末混合物208的干组合物的至少90wt％，例如可喷涂热障涂层粉末混合物208的干组合物的至少95wt％。以这种方式，所得的热障涂层补丁150仍然可以基本上由耐高温陶瓷材料形成。
此外，应当理解，对于至少某些示例性实施方式，低表面积陶瓷粉末214可以占可喷涂热障涂层粉末混合物的干组合物的至少50wt％。例如，低表面积陶瓷粉末214可占干组合物的至少60wt％，例如干组合物的至少70wt％，例如干组合物的高达90wt％。
值得注意的是，再次简要地参考图3并且仍然参考图4，应当理解，如本申请通篇所述，可喷涂热障涂层粉末混合物208是“可喷涂的”。以这种方式，应当理解，可喷涂热障涂层粉末混合物208具有流动性，便于用例如载气、高压气源等进行喷涂。具体地，对于图3的实施方式，可喷涂热障涂层粉末混合物208可以通过用高压气体雾化该混合物而被喷涂到基底上，例如施加到热障涂层146的磨损部分148上。为了便于这种施加方法和其他方法，可喷涂热障涂层粉末混合物208还包括添加到干组合物中以形成用于喷涂混合物的浆料的液体220。该液体可以被配置为在施加过程中快速干燥。例如，该液体可以包括低沸点液体，例如液体酒精、液体乙醇、液体二氧化碳等。例如，低沸点液体的沸点可以限定为低于100℃，例如低于50℃，例如小于0℃，比如大于绝对零度。
加入到干组合物中以形成可喷涂热障涂层粉末混合物208(也称为浆料)的液体220可以额外地或替代地是高蒸气压流体。例如，液体220的蒸气压可以限定在20℃下为2.3千帕斯卡(kPa)以上，例如在20℃下为4kPa以上，例如在20℃下为5.5kPa以上，例如在20℃下高达1,000kPa。
这种低沸点液体/高蒸汽压流体的添加可令可喷涂热障涂层粉末混合物208流至喷嘴202以被施加到热障涂层146或其他部件上，使得热障涂层146或其他部件可以被原位修复，还可以相对快速地蒸发以促进发动机固化可喷涂热阻涂层粉末混合物208。
在某些示例性实施方式中，可喷涂热障涂层粉末混合物208可限定30％至80％的固体负载(即，可喷涂热障涂层粉末混合物208的干组合物部分相对于可喷涂热障涂层粉末混合物208的湿组合物部分的重量百分比—对于所讨论的实施方式而言是干燥剂)。
此外，在某些示例性实施方式中，可喷涂热障涂层粉末混合物208的比重可限定为约0.8克/立方厘米和3克/立方厘米之间，例如约1克/立方厘米和2.7克/立方厘米之间。
具有这种固体负载和比重的浆料的添加可以减少喷雾过程(包括泵送过程)期间的颗粒沉降，并且还可以减少分离、团聚、反应、聚合等。此外，这种配置可以确保浆料/混合物208可泵送通过相对较小的管，例如通过直径小于0.1英寸，例如小于0.075英寸，例如小于0.06英寸的管(例如，管204)。
仅举例来说，在一个示例性实施方式中，可喷涂热障涂层粉末混合物208通常可以根据以下一个以上的实施例来形成：
实施例1
可喷涂热障涂层粉末混合物208，包括：
粉末1，21.6克的8YSZ陶瓷氧化物粉末，其比表面积<10m2/g，作为中值粒径为约8微米的低表面积陶瓷粉末；
粉末2，5.4克的8YSZ陶瓷氧化物粉末，其比表面积>10m2/g，作为中值粒径为约1微米的高表面积陶瓷粉末。这种粉末也可作为无机粘合剂；
0.54克的聚乙烯吡咯烷酮有机粘合剂；
13.5克的变性乙醇，作为溶剂，以及；
13.5克的丙酮，作为低沸点液体。
该制剂产生良好的涂层。丙酮作为干燥剂，使得可以在浆料“飞行”时干燥涂层，从而产生优质涂层。
实施例2
可喷涂热障涂层粉末混合物208，包括：
粉末1，21.6克的8YSZ陶瓷氧化物粉末，其比表面积<10m2/g，作为中值粒径为约8微米的低表面积陶瓷粉末；
粉末2，5.4克的8YSZ陶瓷氧化物粉末，其比表面积>10m2/g，作为中值粒径为约1微米的高表面积陶瓷粉末。这种粉末也可作为无机粘合剂；
0.54克的聚乙烯吡咯烷酮有机粘合剂；
13.5克的变性乙醇，作为溶剂，以及；
13.5克的石油醚，作为低沸点液体。
在各个这些实施例中，为了评估修复过程和喷涂施加过程，将制备的浆料用于修复具有发动机模拟故障的实验室试样。浆料通过管道输送到气体雾化喷嘴，并使用模拟机上配置设置的过程进行喷射。修复后的样品在模拟发动机运行的情况下进行固化并进行测试以确定涂层的耐久性。
对于各个这些实施例中，为了评估修复效率，以两种不同的方法测试试样以模拟发动机环境。第一种方法是喷气发动机热冲击(JETS)测试。在此测试中，对修复后的样品进行了测试，以评估它们在发动机怠速和起飞温度下承受多次热冲击的能力。热冲击测试模拟了部件在一般运行中飞机涡轮机械的涡轮部所经历的热循环。第二种方法是炉循环试验(FCT)。对于该测试，试样在炉中经受热暴露循环。在一个小时的循环中，将试样快速插入底部负载炉中并在1135℃下保持45分钟。然后将样品从炉中取出并在开始下一个循环之前强制空气冷却15分钟。如此20个循环后，从FCT中取出样本并进行检查。样品保持在测试中直到涂层面积的20％剥落，以确定FCT寿命。
应当理解，上述示例性可喷涂热障涂层粉末混合物208仅作为示例。在其他示例性实施方式中，可喷涂热障涂层粉末混合物208可具有任何其他合适的构造。例如，在其他示例性实施方式中，低表面积陶瓷粉末214可以额外地或替代地是低表面积陶瓷粉末前体。例如，低表面积陶瓷粉末前体可以是有机硅、钛系组合物或磷酸盐系组合物，其热分解以形成用作低表面积陶瓷粉末214的耐高温氧化物。这可能发生在将可喷涂热障涂层粉末混合物208施加到基底之后。
使用根据这些配置中的一种以上的可喷涂热障涂层粉末混合物208形成的涂层可产生具有相对高热阻/低热导率的涂层，其可直接连接到部件252表面而无需需要任何特殊的脱脂、收集(glean)或去除氧化物。现在参考图5和6，其提供了施加到下层部件252的表面的修复涂层250的近景剖视图。图5示出了施加到下层部件252的表面的修复涂层250的近景剖视图，图6示出了图5的修复涂层250的一部分的近景视图。
如图所示，根据本公开的一个以上的示例性方面，例如上述示例性方面中的一个以上，修复涂层250由可喷涂热障涂层粉末混合物208形成。例如，修复涂层250包括低表面积陶瓷粉末214和高表面积陶瓷粉末216。还应当理解的是，修复涂层250限定了多个孔254，从而限定了用于改善热保护/降低热导率的孔隙率。例如，使用根据一种以上上述构造的可喷涂热障涂层粉末混合物208形成的示例性涂层250可以产生具有经设计的孔隙率的修复涂层250，该经设计的孔隙率用相对较薄的修复涂层250提供所需量的热保护。例如，在至少某些示例性实施方式中，如图5和图6所示的修复涂层250的热导率可以调整，在1000℃下可为0.4瓦/米-开尔文和2瓦/米-开尔文之间。
例如，图5和图6所示的修复涂层250的热导率可以通过改变涂层250内的孔隙率和最大孔径来定制。如本文所用，术语“最大孔径”是指特定孔254的最大横向测量值。在某些示例性实施方式中，由低表面积陶瓷粉末214产生的最大孔径可为15微米以下，而由高表面积陶瓷粉末216产生的最大孔径可为1微米以下。
由于其固有的较低热导率，对涂层250完全隔绝下面材料的要求可能低于原始涂层250。较薄的涂层250可导致较低的面内应力并允许发动机固化涂层250。
现在参照图7，提供了一种用于原位修复燃气涡轮发动机的部件的热障涂层的方法300。方法300可利用上述可喷涂热障涂层粉末混合物的一个以上的示例性方面。此外，方法300可用于上述示例性部件或发动机中的一个以上，或者可替代地用于任何其他合适的部件、发动机或其他。
图7的方法300包括：(302)将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上，热障涂层粉末混合物包括低表面积陶瓷粉末、低表面积陶瓷粉末前体或两者，热障涂层粉末混合物还包括高表面积陶瓷粉末，热障涂层粉末混合物的活化温度限定为300℃到1200℃的范围。以这种方式，应当理解，(302)将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上可包括：在部件安装在燃气涡轮发动机内的情况下，此时燃气涡轮发动机基本上是组装好的(例如，至少80％的组装度)，同时燃气涡轮发动机安装到载具(例如飞机的机翼或机身)上或其组合的情况下，将热障涂层粉末混合物喷涂到燃气涡轮发动机的部件上。
此外，对于示出的示例性方面，(302)将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上包括：(304)以大于2密耳(即千分之一英寸)且小于25密耳的厚度将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上。
此外，对于示出的示例性方面，(302)将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上包括：(306)使用加压气源将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上。以这种方式，(302)将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上可包括：雾化热障涂层粉末混合物。在至少某些示例性方面，加压气体可以是任何合适的载气，例如氩气或空气。
进一步对于图7的示例性方面，方法300还包括：(308)运行燃气涡轮发动机以固化部件上的热障涂层粉末混合物。以这种方式，应当理解，(302)将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上可包括：在发动机未运行且温度低于例如100℃(例如低于50℃)时，将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上。此外，(308)运行燃气涡轮发动机以固化部件上的热障涂层粉末混合物可以包括：(302)将热障涂料粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上之后，运行燃气涡轮发动机以固化部件上的热障涂料粉末混合物。
仍然参考图7，对于示出的示例性方法300，(308)运行燃气涡轮发动机以固化部件上的热障涂层粉末混合物包括：(310)使部件上的热障涂层粉末混合物暴露于1000℃和1500℃之间的运行温度。
该书面说明书使用实施例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统并执行任何集成的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他实施例。如果这些其他实施例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构要素，则这些其他实施例处在权利要求的范围内。
本发明的进一步方面由以下项目提供：
用于燃气涡轮发动机的可喷涂热障涂层粉末混合物，其包含：干组合物，所述干组合物包含中值粒径分布大于5微米且小于50微米的低表面积陶瓷粉末和中值粒径分布小于5微米的高表面积陶瓷粉末，所述低表面积陶瓷粉末占可喷涂热障涂层粉末混合物的干组合物的至少50wt％。
一个以上的这些项目的混合物，其中，低表面积陶瓷粉末的表面积小于10平方米/克，高表面积陶瓷粉末的表面积大于10平方米/克且小于4000平方米/克。
一个以上的这些项目的混合物，所述混合物还包括：加入至干组合物中以形成用于喷涂混合物的浆料的液体。
一个以上的这些项目的混合物，其中，所述液体包括低沸点液体。
一个以上的这些项目的混合物，其中，所述混合物的固体负载在30质量％至80质量％之间。
一个以上的这些项目的混合物，其中，所述混合物的比重在约0.8克/立方厘米至3克/立方厘米之间。
一个以上的这些项目的混合物，其中，所述混合物固化后的热导率在1000℃下为0.4瓦/米-开尔文至2瓦/米-开尔文之间。
一个以上的这些项目的混合物，其中，干组合物的活化温度在300℃至1200℃的范围，使得热障涂层粉末混合物被配置为原位喷涂并通过暴露于燃气涡轮发动机内的运行温度而固化。
一个以上的这些项目的混合物，其中，干组合物还包含至少一种粘合剂添加剂，低表面积陶瓷粉末、高表面积陶瓷粉末和至少一种粘合剂添加剂整体的活化温度在至少300℃至1200℃的范围。
一个以上的这些项目的混合物，其中，高表面积粉末的固化温度限定在至少部分地大于1000℃。
一个以上的这些项目的混合物，其中，低表面积陶瓷粉末和高表面积陶瓷粉末总计占可喷涂热障涂层粉末混合物的干组合物的至少80wt％。
一种用于原位修复燃气涡轮发动机的部件的热障涂层的方法，包括：将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上，所述热障涂层粉末混合物包含低表面积陶瓷粉末、低表面积陶瓷粉末前体或两者，所述热障涂层粉末混合物还包含高表面积陶瓷粉末，所述热障涂层粉末混合物的活化温度在300℃至1200℃的范围；和运行燃气涡轮发动机以固化部件上的热障涂层粉末混合物。
一个以上的这些项目的方法，其中，运行燃气涡轮发动机以固化部件上的热障涂层粉末混合物包括：使部件上的热障涂层粉末混合物暴露于1000℃至1500℃之间的运行温度。
一个以上的这些项目的方法，其中，将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上包括：以大于2密耳且小于25密耳的厚度将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上。
一个以上的这些项目的方法，其中，将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上包括：使用加压气源将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上。
一个以上的这些项目的方法，其中，将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上包括：通过一根以上的直径为0.06英寸以下的管将热障涂料粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上。
一个以上的这些项目的方法，其中，所述热障涂层粉末混合物还包含干燥剂以形成浆料，所述干燥剂包含乙醇和低沸点液体。
一个以上的这些项目的方法，其中，热障涂层粉末混合物包含低表面积陶瓷粉末，所述低表面积陶瓷粉末和所述高表面积陶瓷粉末总计占可喷涂热障涂层粉末混合物的干组合物的至少80wt％。
一种用于燃气涡轮发动机的可喷涂热障涂层粉末混合物，其包含：干组合物，所述干组合物包含低表面积陶瓷粉末、低表面积陶瓷粉末前体或两者和高表面积陶瓷粉末，所述干组合物的活化温度在至少300℃至1200℃的范围，使得热障涂层粉末混合物被配置为原位喷涂并通过暴露于燃气涡轮发动机内的运行温度而固化。
一个以上的这些项目的混合物，其中，低表面积陶瓷粉末(若包括)的表面积小于5平方米/克；低表面积陶瓷粉末前体(若包括)被配置为形成表面积小于5平方米/克的粉末；高表面积陶瓷粉末的表面积大于10平方米/克且小于4000平方米/克。

Claims (10)

1.用于燃气涡轮发动机的可喷涂热障涂层粉末混合物，其包含：
干组合物，所述干组合物包含中值粒径分布大于5微米且小于50微米的低表面积陶瓷粉末和中值粒径分布小于5微米的高表面积陶瓷粉末，所述低表面积陶瓷粉末占可喷涂热障涂层粉末混合物的干组合物的至少50wt％。
2.根据权利要求1所述的混合物，其中，所述低表面积陶瓷粉末的表面积小于10平方米/克，所述高表面积陶瓷粉末的表面积大于10平方米/克且小于4000平方米/克。
3.根据权利要求1所述的混合物，其中，所述混合物还包含：
加入至所述干组合物中以形成用于喷涂所述混合物的浆料的液体。
4.根据权利要求3所述的混合物，其中，所述液体包含低沸点液体。
5.根据权利要求3所述的混合物，其中，所述混合物的固体负载在30质量％至80质量％之间。
6.根据权利要求3所述的混合物，其中，所述混合物的比重在约0.8克/立方厘米至3克/立方厘米之间。
7.根据权利要求3所述的混合物，其中，所述混合物固化后的热导率在1000℃下为0.4瓦/米-开尔文至2瓦/米-开尔文之间。
8.根据权利要求1所述的混合物，其中，所述干组合物的活化温度在300℃至1200℃的范围，使得热障涂层粉末混合物被配置为原位喷涂并通过暴露于燃气涡轮发动机内的运行温度而固化。
9.一种用于原位修复燃气涡轮发动机的部件的热障涂层的方法，包括：
将热障涂层粉末混合物原位喷涂到燃气涡轮发动机的部件上，所述热障涂层粉末混合物包含低表面积陶瓷粉末、低表面积陶瓷粉末前体或两者，所述热障涂层粉末混合物还包含高表面积陶瓷粉末，所述热障涂层粉末混合物的活化温度在300℃至1200℃的范围；和
运行燃气涡轮发动机以固化部件上的热障涂层粉末混合物。
10.用于燃气涡轮发动机的可喷涂热障涂层粉末混合物，其包含：
干组合物，所述干组合物包含低表面积陶瓷粉末、低表面积陶瓷粉末前体或两者和高表面积陶瓷粉末，所述干组合物的活化温度在至少300℃至1200℃的范围，使得所述热障涂层粉末混合物被配置为原位喷涂并通过暴露于所述燃气涡轮发动机内的运行温度而固化。
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